[논문 리뷰] Pulsations in red supergiants with high L/M ratio -- Implications for the stellar and circumstellar structure of supernova progenitors

Alexander Heger, L. Jeannin외 2명|arXiv (Cornell University)|1997. 05. 13.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 2인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 높은 빛의 세기 대 질량 비율(L/M)을 가진 적색 초거성(RSGs)의 진동을 조사하며, 후 헬륨 핵 고갈 단계 동안 L/M 비율이 증가함에 따라 이러한 별들이 큰 진폭의 진동을 나타냄을 보여준다. 비선형 및 선형 진동 모델은 이러한 진동이 핵 붕괴 이전에 '초우주풍(superwind)'을 유도할 수 있으며, 이는 핵붕괴 이전의 항성 및 환경 구조에 상당한 영향을 미칠 수 있음을 시사한다. 이는 관측된 초신성 빛의 곡선, 스펙트럼 및 잔여물에 영향을 미친다.

ABSTRACT

We investigate the pulsational properties of RSG models --- which we evolve from ZAMS masses in the range 10 to $20 \Msun$ --- by means of linear and non-linear calculations. We find period and growth rate of the dominant fundamental mode to increase with increasing luminosity-to-mass ratio $L/M$. Our models obtain relatively large $L/M$ values due to the inclusion of rotation in the evolutionary calculations; however, the largest values are obtained at and beyond central He-exhaustion due to major internal rearrangements of the nuclear burning regions. Our non-linear calculations as well as the behavior of the linear period and growth rate of the pulsations for periods approaching the Kelvin-Helmholtz time scale of the H-rich stellar envelope point towards the possibility of large amplitude pulsations. Such properties are similar to that found in AGB stars and suggest the possibility of a ``superwind'' to occur before the RSGs explode as supernovae. We conclude that changes in global stellar properties during the last few $10^4 \yr$ before core collapse may lead to drastic changes in the pulsational and wind properties of pre-supernova stars, with marked consequences for the immediate pre-supernova structure of the star and the circumstellar medium. We compare our results with observations of long-period OH/IR variables and discuss observational evidence for our scenario from observed supernova light curves, spectra and remnants.

연구 동기 및 목표

• 고도로 높은 L/M 비율을 가진 적색 초거성의 진동 행동을 이해하는 것, 특히 후기 진화 단계에서의 행동을 중심으로 한다.
• 핵 헬륨 고갈 단계 동안 L/M 비율의 변화가 진동 주기와 증가율에 미치는 영향을 탐구하는 것.
• 큰 진폭의 진동이 핵 붕괴 이전의 질량 손실과 바람 형성에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 이론적 진동 모델을 장기간 주기의 OH/IR 변수와 초신성 잔여물의 관측적 특징과 연결하는 것.
• 진동 활동이 거대 별의 핵붕괴 직전 구조에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 10에서 20 태양질량의 영초기 주계열 별에서 유래한 적색 초거성 모델을 사용하며, 진화 과정에서 회전 효과를 포함한다.
• 기본 모드의 주기와 증가율을 결정하기 위해 선형 및 비선형 진동 계산을 수행한다.
• 특히 중심 헬륨 고갈 주변 및 그 이후에 L/M 비율의 변화를 추적하며, 이 비율이 상당히 증가함을 확인한다.
• 수소가 풍부한 외피의 켈빈-헬름홀츠 시간스케일에 가까운 진동 행동을 분석하여 큰 진폭 진동의 가능성 평가.
• 모델 예측을 장기간 주기의 OH/IR 변수와 초신성 잔여물의 관측 데이터와 비교한다.
• 항성 구조 및 진동 방정식을 사용하여 외피의 진화와 그의 역학적 반응을 모델링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빛의 세기 대 질량(L/M) 비율은 적색 초거성에서 진동 주기와 증가율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 높은 L/M 비율의 RSG에서 큰 진폭의 진동은 질량 손실과 바람 형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 높은 L/M 비율을 가진 RSG에서의 진동 불안정성이 핵붕괴 이전의 '초우주풍' 단계를 유도할 수 있는가?
• RQ4 붕괴 10^4년 이내의 전역 항성 특성 변화가 진동 및 바람 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 모델 예측이 OH/IR 변수와 초신성 잔여물의 관측적 특징과 얼마나 일치하는가?

주요 결과

• 적색 초거성에서 주로 나타나는 기본 진동 모드의 주기와 증가율은 L/M 비율이 높을수록 증가한다.
• 비선형 진동 계산 결과, 헬륨 핵 고갈 이후 L/M 비율이 증가할 경우 큰 진폭의 진동이 발생할 가능성이 있음을 시사한다.
• 켈빈-헬름홀츠 시간스케일에 가까운 진동 행동는 강력하고 지속적인 초우주풍이 발생할 조건을 제공함을 시사한다.
• 내부 핵반응 영역의 재구성으로 인해 중심 헬륨 고갈 시점과 그 이후에 L/M 비율이 가장 높아진다.
• 모델 결과는 장기간 주기의 OH/IR 변수 관측 결과와 일치하며, 유사한 진동 및 질량 손실 행동을 나타낸다.
• 이러한 결과는 핵붕괴 직전 10^4년 동안의 진동 활동이 핵붕괴 이전의 질량 손실과 환경 구조를 상당히 형성할 수 있음을 시사한다.